No.5
Jun. 2016FEATURE STORY
Visualizing the biological information of plants to benefit the future of
agriculture
Agriculture in Japan is presently undergoing a period of change. Over the last five years, elderly agricultural workers are leaving the industry at an accelerated pace.
Research Highlights
Pick Up
The ‘eyes’ say more than the ‘mouth’, and can distinguish English sounds
A new method to estimate English /l/ /r/ discrimination ability from human pupillary response ……… 5
Advanced vehicle probe data collection devices installed in Toyohashi City official vehicles identify potential pedestrian accident hazard spots
…… 11A future vehicle that will make children’s dreams come true … 8
Why can our brains learn and memorize?
Microfluidic chip technology enables rapid multi- plex diagnosis of plant viral diseases
Early detection of crop disease at the genetic level, and protection
of food safety ……… 6
Comprehensive understanding of expression mechanism of long-term potentiation and long-term depression of hippocampal
excitatory synaptic strength ……… 7
No.23
November 2020 FEATURE STORYStarting development of a wireless charging
system for amusement park Go-karts
Agriculture in Japan is presently undergoing a period of change. Over the last five years, elderly agricultural workers are leaving the industry at an accelerated pace. Going forward, the farming population is predicted to decline rapidly. On the other hand, as middle-aged people focus on their health, demand for fresh vegetables is growing, and ensuring their stable supply has become an urgent issue. This has led to attention on indoor farming and intelligent greenhouses that efficiently and stably produce vegetables. To meet this challenge, Professor Kotaro Takayama is working on developing solar-powered indoor farms which practise smart agriculture by monitoring the biological information of plants and analyzing the collected data. With such systems already in place, Professor Takayama’s work is now gaining recognition.
Interview and report by Madoka Tainaka
F eature Story
Establishing “strong agriculture”
as a business
In any era, a stable supply of food is an essential issue. With farms in Japan largely family operated, Professor Takayama wor- ries about their ability to continue operating in the future. In addition, the population of farmers continues to rapidly decline, and consumer habits will significantly change over the next ten years. In order to respond to both of these issues, Professor Takayama states that it is essential to create a new agricultural production system that can provide a stable supply of fresh vegetables and other goods.
According to Professor Takayama, “The best option is indoor farming and/or intel- ligent greenhouses. If you look at the situ- ation of about ten years ago, hand-grown vegetables from local farmers were sig- nificantly more popular than indoor-grown varieties, but today it is now possible to provide a stable supply of greenhouse- grown vegetables offering 100% trace- ability. Greenhouse-grown vegetables are now increasingly entering the mainstream for consumers due to their proven qual- ity, safety and security. With middle-aged
people focusing on their health, and the demand for fresh vegetables having grown by around 150% to 200% over the past ten years, I believe that, moving forward, reliance on large-scale indoor farms will gradually increase. On the other hand, operating such facilities requires adequate financing, which means the farms will need to establish proper business models. To achieve that, managing production will be essential. Up to now, this industry has relied mainly on the intuition and experiences of experts, but there was essentially no scien- tific approach,” says Professor Takayama.
Knowledge about environmental controls for indoor farms first developed approximately 20 years ago, and automated computer controls are already being implemented
across the world. However, testing has not been sufficient. To address this, Professor Takayama created an optimal produc- tion system to monitor plant growth and regulate the environment using extremely low-cost methods.
“A scientific approach is sure to improve productivity,” he says. “However, even if yields increase by 400% or 500% com- pared to a normal greenhouse, it is point- less without a business model. We need to look at the balance between cost and revenue while providing optimal produc- tion. To do this, we first need to measure conditions, analyze the resulting data, and determine optimal production. If we can do that, I believe we can realize a strong agricultural industry that can compete in the marketplace,” says Takayama.
Measuring and diagnosing plant photosynthesis, controlling the cultivation environment
Addressing this, Professor Takayama has adopted image-based measurements and analyses to understand plant growth condi- tions. He goes on to explains the background behind his methods.
Visualizing the biological information of plants to benefit the future of agriculture
Kotaro Takayama
Commercially profitable large scale of intelligent greenhouse is essential
Feature Story
“CCD cameras that would have cost 1,000,000 yen 10 years ago have become cheaper, and cameras with the same func- tions are now equipped on smartphones. It is now even possible to analyze images with smartphones. Due to this, image analysis technology can now be brought on site to the farm,” he says.
Particularly revolutionary is his research that uses images to capture the plant’s photo- synthetic activity. In a world first, Takayama developed a robot that can automatically measure photosynthesis in indoor farms. In 2017, Iseki & Co., Ltd. began selling the robot as a diagnostic device for plant cultivation. In- door farms are broadly divided into artificially lit facilities that use LEDs and other artificial light sources, and solar-powered varieties.
Professor Takayama focuses on the latter.
“The robot automatically moves throughout the solar-powered indoor farm at night and measures fluorescent imagery of tomato chlorophyll (Chl),” he explains. “Chlorophyll absorbs light energy, and the chlorophyll fluorescence is a portion of leftover energy that was not used in photosynthesis. It is dis- charged as red light.
To measure this, the leaves of the tomatoes are illuminated at night using a blue LED excitation light. Then, the robot stimulates the photosynthesis reaction system artificially and the change in the intensity of the chlorophyll fluorescence is measured. The process by which the chlorophyll fluorescence inten- sity changes with time is called an ‘induction phenomenon.’ In 1987, my instructor, Kenji Omasa, Professor Emeritus of the University of Tokyo, became the first person in the world to take image measurements of this process.
Changes in fluorescence intensity show the plant’s photosynthetic capabilities and stress impacts, so it is helpful in understanding plant conditions.”
Upon actually using the robot to measure a 170- by 76-meter greenhouse growing 30,000 tomato plants, it became clear that photosyn- thesis activity varied by location. Visualizing the analysis results through a heat map makes
it possible to improve the state of growth by controlling various environmental conditions such as water volume and temperature.
Using a variety of new technologies to bring about innovations in agriculture Professor Takayama is also working on a real-time monitoring system to measure pho- tosynthesis. With this system, the cultivated plants are wrapped in tubular, transparent vinyl bags, and the rate of photosynthesis and transpiration is examined by measuring the concentration difference of H2O and CO2 in air flowing in from below the tube, and in the air ejected from a fan above. The low-priced sensor’s ability to precisely measure pho- tosynthesis and transpiration has garnered attention, and in 2019, the system went on sale as a joint collaboration between Kyowa Co., Ltd. Division of Hyponica and Plant Data, a venture launched by Toyohashi University of Technology. The system is getting lots of attention, with inquiries even coming from countries with advanced agricultural indus- tries, such as Holland.
“Though increasing CO2 concentration encourages photosynthesis, injecting CO2 is not necessary if there is already sufficient photosynthesis occurring. This reduces cost.”
explains Professor Takayama.
In addition, a cheaper lightweight hanging robot that can be used in conventional small and mid-size greenhouses to measure plant biology imagery information is also being offered. In addition to measuring chlorophyll fluorescence imagery, moving the camera up and down makes it possible to capture color images of the entire plant and precise details.
Using deep learning to analyze the acquired images makes it possible to automatically detect changes in growth along with flowering and fruit bearing conditions. This is helpful in predicting harvest time and yield. Work is also underway to develop a visual user interface that will make this information intuitive to understand.
“Deep learning is an incredibly groundbreak- ing technology. You can quickly analyze and develop growth models that would have previously taken a significant amount of time.
Gathering large volumes of data from daily measurements makes it possible to further increase precision. Deep learning-equipped AI makes it possible to dramatically change conventional agriculture.” says Takayama.
In addition, research and development is advancing to measure plant stress conditions by utilizing super-compact odor sensors equipped with ultra-sensitive silicon CMOS ion imaging sensors developed at the univer- sity by Professor Kazuaki Sawada.
“In fact, neighboring plants communicate with smell, and diagnosing these odors shows us the health of the plant. Though I learned this when studying abroad in Holland in 2007, at the time I could have never imagined that we would be able to develop small, low-cost sensors. We can use these odor sensors as alarms to show us when there is insufficient water or too much pesticide. Furthermore, we expect these simple sensors will be able to be used at production sites,” says Takayama.
With abnormal weather patterns and disas- ters common in today’s world, more and more people are looking for a reliably priced supply of vegetables that can be consumed with peace of mind. Professor Takayama’s accomplishments put him at the forefront of such future innovations in agriculture.
Reporter’s Note
Fond of biology and physics from a young age, upon arriving at university, Professor Takayama studied agricultural machinery and agricultural civil engineering. His field of study focused mainly on the durability of agricultural machinery, which was not a popular field at the time. However, while studying under his instructor, Takayama had the opportunity to measure chlorophyll fluorescence, and he then began to work to apply his research to the agricul- ture industry.
“At the time, machinery was very expensive, and the idea of applying my research to the agricultural field was dismissed as nonsense. But as the tech- nology developed into the present day, consumer needs significantly changed, and the field became a real focus of attention. Even I was surprised,”
says Professor Takayama.
Smart agriculture and smart food chains are now the biggest topics for humanity, and are essential in achieving a sustainable society. Professor Takayama humbly dismisses his successes as being down to good timing, but perhaps it is more likely that his insights were key.
The robot automatically moves throughout the solar-powered indoor farm at night and measures fluorescent imagery of tomato chlorophyll
Photosynthesis and transpiration real-time monitoring chamber
F eature Story
ビジネスとして成立する「強い農業」のために いつの時代においても、食の安定供給は最重要課題だが、家族経 営が大多数を占める現状の日本の農業は、近い将来立 ち行かなくなる、と高山教授は危機感を募らせる。そし て、急激に進む農業生産人口の減少と、10年程度で大き く変わる消費者マインドの両方に対応するためには、生 鮮野菜などを安定的に供給するための新たな農業生産 システムの構築が欠かせない、と指摘する。
「その有力候補が植物工場です。10年ほど前なら、植 物工場の野菜より、農家のおじさんの手作り野菜のほう がはるかに人気でしたが、いまや、安定供給が可能で、
完全なトレーサビリティができる温室育ちの野菜は、品 質が保証された安全・安心な食物として広く受け入れ られています。中高年の健康志向を背景に、生鮮野菜へ のニーズがこの十数年で1.5〜2倍に伸びていることも あり、今後はますます大規模な植物工場への依存が高 まると考えられます。一方で、植物工場の運用にはそれ なりの資本が必要であり、農業をビジネスとしてきちん と成立させる必要があります。そのためには、生産マネ ジメントが欠かせません。しかし従来は熟練者の経験と 勘に頼ってきた部分が大きく、科学的なアプローチはほ とんどなされていませんでした」と高山教授は言う。
もっとも、植物工場の環境制御の知見は20年ほど前に 確立されていて、すでに世界中でコンピュータによる自 動制御が行われている。しかし、その検証までは十分に なされてこなかったのだという。そこで高山教授は、植 物の生育状況をモニタリングし、もっともコストがかか らない方法で環境調整をして、より最適な生産を実現し ようとしているのだ。
「科学的なアプローチをすれば、生産性は必ず向上し ます。しかし、たとえば通常の温室栽培の4〜5倍の収穫 量があったとしても、ビジネスとして成立しなければ意 味がない。コストと利益のバランスを見ながら、最適な 生産をすべきです。そのためにはまず、状態を測って、そ のデータをもとに解析をして、最適な生産を見極める 必要がある。それが可能になれば、市場で競争できる強 い農業を実現できるでしょう」
植物の光合成を計測・診断して、生育環境をコン トロールする
こうしたなか、高山教授が植物の生育状況を把握する ために採用しているのが、画像による計測と解析であ る。その背景を、高山教授は次のように説明する。
「10年前なら100万円もしたようなCCDカメラが廉 価になり、いまや同等の性能のカメラがスマートフォン に搭載されるようになり、画像解析もスマホ内蔵のコン ピュータでできるようになりました。これにより、農業現 場に画像解析技術を持ち込むことができるようになっ たのです」
とりわけ画期的なのが、植物の光合成活性を画像で捉 える研究だ。世界に先駆けて、植物工場で光合成を自動 計測できるロボットを開発して、2017年には井関農機 が植物生育診断装置として販売を開始している。なお、
植物工場は、LEDなどの人工光源を活用する人工光型 植物工場と太陽光植物工場に大別されるが、高山教授 は後者を対象としている。
「このロボットは、太陽光植物工場内を夜間に自動走 行しながら、トマトの葉緑素、つまりクロロフィル（Chl）
の蛍光画像を計測するものです。Chl蛍光とは、Chlが吸 収した光エネルギーのうち、光合成に使われずに余っ たエネルギーの一部が、赤色光として捨てられたもの です。これを測るために、夜間にトマトの葉に青色LED による励起光を照射して、光合成反応系を人工的に刺 激し、その際のChl蛍光の強度変化を測ります。Chl蛍光 強度が時間とともに変化する現象は『インダクション現 象』と呼ばれていて、これは私の恩師である大政謙次東 京大学名誉教授により、1987年に世界で始めて画像計 測されました。この蛍光強度の変化が、植物の光合成能 力やストレスの影響を表すことから、植物の状態を知る ことに役立つのです」
実際にこのロボットを使って、トマト3万本を育てる 170m×76mの温室で計測してみたところ、場所によっ て光合成の活性にムラがあることがわかった。こうした 解析結果をヒートマップで見える化することにより、水 やりや温度などさまざまな環境条件をコントロールし て、生育状況の改善に活用できる、というわけだ。
さまざまな新技術が農業に革新をもたらす 光合成の計測に関しては、リアルタイムのモニタリン グシステムも手がけている。こちらは、栽培している 植物を透明の筒状のビニール袋で包み、下部の開口 部から流入する空気と、上部のファンから排出される 空気のCO2濃度とH2Oの濃度差を計測することで、光 合成の速度と蒸散速度を測るというものだ。安価なセ ンサで高精度に光合成と蒸散が計測できることから 話題を呼び、2019年に豊橋技術科学大学大学発の ベンチャーであるPLANT DATAと協和ハイポニカが 共同で市販も始めた。引き合いも多く、農業先進国で あるオランダからの問い合わせもあるという。
「光合成を促進させたいのならCO2濃度を高めれば 良いわけですが、十分に光合成ができているのなら、
わざわざCO2を投入する必要はなく、コストを抑えら れます」と高山教授は説明する。
一方、より安価に、しかも従来型の小・中規模のビニー ルハウスにも導入できる、軽量の吊り下げ型の植物生 体画像情報計測ロボットも提案していている。こちら はChl蛍光画像計測に加えて、カメラを上下に動かす ことで、植物全体や詳細のカラー画像を捉えることが
可能だ。取得した画像を深層学習で解析することで、
生育の変化や、花や果実の自動検知ができるように なり、収穫時期や収穫量の予測にも役立てられると いう。また、それらを直感的に理解できるように見え る化した、ユーザー・インタフェイスの開発にも注力 する。
「深層学習はじつに破壊的な技術で、これまでなら慎 重に時間をかけて開発していた生育モデルの開発も 解析も、あっという間にできてしまいます。日々の計測 から大量のデータが集まれば、より精度を高めること もできる。深層学習によるAIは、これまでの農業を劇 的に変える可能性があります」
さらに、学内の澤田和明教授らが開発した超高感度 シリコンCMOS型イオンイメージングセンサを用いた 超小型の匂いセンサを用いることで、植物のストレス 状態を計測する研究開発にも取り組む。
「じつは植物同士は匂いでコミュニケーションをとっ ていて、その匂いを診断することで植物の調子がわか るんですね。これは2007年にオランダに留学してい たときに学んだものですが、当時からは想像もできな いほど、廉価に小型の装置を開発することができまし た。この匂いセンサを使えば、水が足りないとか、農薬 が多すぎるといったアラームとしても使えます。まさ に生産現場にフィットする、簡易なセンサとして活用 されることを期待しています」
異常気象や災害の多い昨今、安定した値段で安心し て食べられる野菜の供給は人々の願いだ。高山教授 の成果が、これからの農業に革新をもたらすことに期 待したい。
（取材・文＝田井中麻都佳）
取材後記
もともと生物と物理が好きだったことから、大学では 農学部へ進学して、農業機械や農業土木を学んだ高山 教授。しかし、当時の研究対象は農業機械の耐久性な どが主で、人気のない分野だったという。ただ、恩師の 下でクロロフィル蛍光の計測と出合ったことがきっか けとなり、これを農業に応用したいと研究に励んだ。
「当時は機器が高額で、農業現場への応用などナン センスだと怒られました。それがいまでは技術が進展 し、消費者ニーズも大きく変化したことで、まさに注目 の分野になった。自分でも驚いています」と高山教授 は語る。
スマート農業やスマートフードチェーンは、いまや持 続可能な社会の実現に欠かせない人類最大のテーマ だ。高山教授はタイミングが良かっただけと謙遜する が、やはり先見の明があったのだろう。
いま、日本の農業は転換期にある。ここ5年ほどで、高齢の農業従事者の離農が加速しており、今後、農業生産人口が急激に減少すると予測されているためだ。一 方、中高年の健康志向を背景に、生鮮野菜へのニーズが高まっていることから、その安定供給が急務となっている。そこで注目されているのが、効率的かつ安定的 な野菜の生産が可能な植物工場である。こうしたなか、高山弘太郎教授は、太陽光植物工場において、植物の生体情報をモニタリングし、取得したデータを解析す ることで、農業のスマート化に取り組む。すでに実用化されたシステムもあり、高山教授の挑戦に注目が集まっている。
植物の生体情報を見える化して、未来の農業に役立てる
Dr. Kotaro Takayama
Dr. Kotaro Takayama received his PhD degree in 2004 from The University of Tokyo, Japan. He started his carrier as a research assistant at Ehime University in 2004 and became an assistant professor there in 2007.
From 2013 to 2017, he was an associate professor, and became a professor in 2017 there. He held a broad variety of positions including a guest researcher at Wageningen University and a part-time lecturer at Osaka Prefecture University and Yamaguchi University, respectively. He joined at Research Center for Agrotechnology and Biotechnology, Toyohashi University as a specially appointed professor in 2018. Now he is a professor at Electronics-Inspired Interdisciplinary Research Institute, Toyohashi University of Technology and Ehime University.
Madoka Tainaka is a freelance editor, writer and interpreter. She graduated in Law from Chuo University, Japan.
She served as a chief editor of “Nature Interface” magazine, a committee for the promotion of Information and Sci- ence Technology at MEXT (Ministry of
Education, Culture, Sports, Science and Technology).
Researcher Profile Reporter Profile
Research Highlights
In an increasingly globalized world, we often hear about the importance of improving English profi- ciency. However, we Japanese are said to be very weak in the pronunciation of and the hearing and distinguishing of L and R which are sounds that do not originally exist in Japanese, such as in “glass”
and “grass”. Given our understanding that words that cannot be recognized cannot be pronounced, the ability of each person to hear and distinguish English is a very important indicator in effective English learning.
As in the proverb: “The eyes say more than the mouth”, it is known that pupil dilation can reveal vari- ous cognitive states. So, the research team tried to estimate the ability to hear and distinguish L and R by focusing on pupillary dilation response in which the pupil dilates with respect to the difference in sound.
For this study, the research team played a repeating loop of words with an English L sound (e.g., “light”) into which were randomly dispersed examples of the same word but with an R sound (e.g., “right”). The team then investigated how the pupils of test partici- pants responded to those sounds. Participants were classified into two groups according to their scores in a test of their ability to distinguish English sounds, which was performed in advance, to compare the pupillary response of both groups.
As a result, the group with a strong ability to hear and distinguish the L and R sounds showed a larger pupillary response than the group with a weak abil- ity to hear and distinguish them. It was also found that this pupillary response alone could estimate the ability of the participants who had been tested
in advance to hear and distinguish English, with extremely high accuracy. Participants of the experi- ment were not required to pay attention to the English words they were listening to, they just needed to let them play, but their ability to hear and distinguish could be estimated from their pupillary responses alone at that time. The researchers believe that in future, this finding could provide a new indicator for a simple estimate of the ability of a person to hear and distinguish English.
“Up to now, the evaluation of an individual’s English listening ability has been carried out by actually performing a test in which they are made to listen to English words, and scoring whether the answers are correct or incorrect. However, we focused on the pupil, which is a biological signal, with the goal of extracting objective abilities that did not depend on the participants’ responses. Although all research participants could identify that there were two differ- ent sounds being played, their pupillary responses differed according to their English ability. So, I be- lieve that this indicates that there is a possibility that our pupillary responses are reflecting differences in unconscious language processing”, the lead author Yuya Kinzuka, a PhD candidate, explained.
Professor Shigeki Nakauchi, who is the leader of the research team, explained, “It was difficult for even the person themselves to recognize their listening ability, which sometimes led to a decrease in train- ing motivation. However, this research has made it
possible for not only the person themselves, but also a third party to visualize the listening ability of the learner objectively from the outside. I expect that in the future, objective measurement of the ability to hear and distinguish things will progress in various fields such as language and music.”
In addition, explains research member Professor Tetsuto Minami, “This discovery shows that not only simple sounds such as pure tones, but also higher- order factors such as differences in utterances are reflected in pupillary response. I expect that it will be useful as an English learning method if it is possible to improve the ability to hear and distinguish things by controlling pupil dilation from the outside.”
The research team has suggested that a new method to estimate the ability to distinguish English sounds from pupillary response, based on these research results, could form the basis of a system for efficiently studying the ability of Japanese people to distinguish the challenging L and R sounds. Furthermore, it is known that learning difficulties caused by the dis- tinguishing of sounds that do not exist in the native language also occur when for example an English speaker learns Chinese. Ultimately then, we hope that this will become a new indicator of estimating language ability that is not limited to Japanese. In addition, these research results are expected to be useful for language learning in patients with move- ment and speech disorders as there is no need for the participants to pay attention to or physically respond to English words.
This study was conducted with the assistance of Grants-in-Aid for Scientific Research A(26240043) and Basic Research B(17H01807) from the Japan Society for the Promotion of Science, Ministry of education.
Reference
Kinzuka, Y., Minami, T., & Nakauchi, S. (2020). Pupil dilation reflects English /l//r/ discrimination ability for Japanese learn- ers of English: a pilot study. Scientific Reports, 10(1), 1-9, www.
DOI: 10.1038/s41598-020-65020-1 A joint research team comprised of members of Toyohashi University of Technol-
ogy’s Department of Computer Science and Engineering, and EIIRIS (Electronics- Inspired Interdisciplinary Research Institute), has discovered that the difference in the ability to hear and distinguish English words including L and R, which are considered difficult for Japanese people, appears in pupillary (the so-called “black part of the eye”) responses. While pupil dilation performs a primary role of adjust- ing the amount of light that enters the eye, it is known that it can also reflect the cognitive state of humans. In this study, the research team conducted experiments to simultaneously measure the size of the pupil while playing English words in com- binations such as “Light” and “Right”, and clarified that it is possible to objectively estimate the ability to distinguish English words by observing pupil dilation.
The ‘eyes’ say more than the ‘mouth’, and can distinguish English sounds
A new method to estimate English /l/ /r/ discrimination ability from human pupillary response
by Yuya Kinzuka
Scene of the pupillometry experiment Correlation between pupil diameter and English auditory distinguishing ability
R esearch Highlights
Microfluidic chip technology enables rapid multiplex diagnosis of plant viral diseases
Early detection of crop disease at the genetic level, and protection of food safety
By Takayuki Shibata
In the context of increased food demand due to world population growth and decreased produc- tion due to abnormal weather, the “steady supply of safe and high quality agricultural, forest, and fishery products and food” has become a pressing issue common to all humankind in order to actual- ize a sustainable world (Sustainable Development Goals, SDGs). This research aims at developing a diagnostic technology to support the effective and stable production of high quality crops. By utilizing this technology, even regular agricultural producers without special knowledge or skills can easily and rapidly test for plant diseases and insect pests at their farms at the genetic level.
Loop-mediated isothermal amplification (LAMP) * is one of the methods for detecting target nucleic acids (DNA or RAN). This approach can amplify the targeted gene at a constant temperature (60–65℃
for 30 minutes to 1 hour) without expensive instru- mentation for high-precision temperature control in PCR assays, which is the most commonly used genetic diagnosis technique. Therefore, the LAMP method has considerable potential for providing an easy-to-use diagnostic tool and enabling on- site diagnoses. However, with the conventional LAMP method, multiple-item viral diagnosis is complicated because of the amount of samples (target DNA or target RNA), reagents preparation, and gene amplification reactions required for the test. This process also requires specialized
knowledge and skills.
Here, the research team has solved this problem by employing microfluidic chip technology.
We have developed a polydimethylsiloxane (PDMS)-based microfluidic device for the multi- plex genetic diagnosis of plant diseases by using semiconductor manufacturing technology. The fabricated multiplex genetic diagnostic device consists of an array of five reaction chambers (3 µL in volume) and a microchannel (200 µm in width and 80 µm in height which together form a connected network. The device is approximately 45 mm×25 mm in size (less than 1/3 the size of a standard business card). As a sample, an RNA sample containing viral RNA target extracted from diseased cucumber leaves collected at a farm was used. In the operating procedure for the multiplex LAMP assay, a mixture of sample and reagents were autonomously dispensed into the multiple reaction chambers, with just one opera- tion for introducing the mixture into the inlet port of the device. Then, the device was heated in hot wa- ter (63℃ for 40 minutes to 1 hour), resulting in the specific amplification of targeted nucleic acids.
As shown in the figure, two kinds of RNA viruses were successfully detected simultaneously on our diagnostic device. It should be noted that the device has the ability to simultaneously diagnose up to four different kinds of plant viral diseases.
The team now plans to develop a diagnostic de- vice for enabling the simultaneous detection of a total of eight items, including four kinds of cucum- ber viral diseases and four kinds of insect pests, with the aim of putting the device to practical use.
In principle, it is possible to freely customize the types of target viruses to meet individuals’ specific needs on our diagnostic device. Therefore, look- ing ahead to the “life with corona” era, we will pro- vide a platform for the rapid multiplex diagnosis of human infectious diseases (such as the novel coronavirus and the influenza viruses). We will also realize rapid multiplex allergen testing in food production (seven specified raw material items:
wheat, buckwheat, peanut, egg, milk, shrimp, and crab) as a tool for improving food safety.
This research was partially supported by “Knowl- edge Hub Aichi”, Priority Research Project from Aichi Prefectural Government. Additionally, this work was conducted as a part of “the Cooperative Project for Innovative Research” (Microfluidic- based Genetic Diagnostic and Improving Tech- nologies for Enhancing Food Safety), funded by Toyohashi University of Technology.
*LAMP is an isothermal gene amplification method developed by Eiken Chemical Co., Ltd. (http://loopamp.
eiken.co.jp/e/lamp/). This is a technique to amplify a target DNA at a constant temperature (60 - 65℃) by using a set of four to six primers specially designed to recognize six to eight distinct regions on the target gene based on strand displacement reaction.
References
Daigo Natsuhara, Keisuke Takishita, Kisuke Tanaka, Azusa Kage, Ryoji Suzuki, Yuko Mizukami, Norikuni Saka, Moeto Nagai, and Takayuki Shibata, (2020) A Microfluidic Diagnostic Device Capable of Autonomous Sample Mixing and Dispensing for the Simultaneous Genetic Detection of Multiple Plant Viruses, Micromachines, 11(6), 540.
DOI: 10.3390/mi11060540.
• Industry-Academia Collaboration Bridging Acceler- ating TUT Research Seeds into Commercial Products A research team composed of Professor Takayuki Shibata and his colleagues
at the Department of Mechanical Engineering, Toyohashi University of Tech- nology has applied a microfluidic chip technology to develop a multiplex ge- netic diagnostic device for the early detection and prevention of crop diseases.
The group conducted a gene amplification experiment using four kinds of cucumber viruses on the palm-size diagnostic device, and successfully dem- onstrated that the rapid multiplex diagnosis can be performed within 1 hour of testing. This diagnostic device is a highly versatile technology that can be used for genetic diagnosis of disease or infection not only in crops, but also in humans, and across a wide range of industries such as the agriculture, livestock & fisheries industries, the food industry, and health/medical care.
The simultaneous detection of multiple RNA-based plant viruses (MYSV and CCYV)
(Fluorescence intensity increased only in reaction cham- bers No.2 and No.3 corresponding to target viruses) Photograph of multiplex genetic diagnostic device
Research Highlights
Why can our brains learn and memorize?
Comprehensive understanding of expression mechanism of long-term potentiation and long-term depression of hippocampal excitatory synaptic strength
By Kouji Harada
N-methyl-D-aspartate (NMDA)-type glutamate receptor (NMDAR)-dependent long-term potentiation (LTP) and long- term depression (LTD) in synapses on hippocampal excitatory neurons are considered to be a molecular basis essential to form the neural circuits involved in learning and memory. In mammalians, it has been proved that the main factor of the induction of LTP and LTD results in an increase and decrease in α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA)-type receptor (AMPAR) at the postsynaptic membrane, depending on the calcium ion volume. However, the mechanism of the fluctuation of the AMPAR has not been elucidated. In ad- dition, the true nature of the main pathway for AMPAR trafficking to the postsynaptic membrane remains up for debate as can be seen in the following studies.
Penn, et al. showed that the long-range lateral diffusion of AM- PAR directed from areas other than the postsynaptic membrane (e.g. dendrite shaft) to the postsynaptic membrane is the main pathway for AMPAR trafficking for the LTP [1], and the long- range lateral diffusion pathway has been considered to be the most likely candidate as the main pathway. On the other hand, Wang et al. demonstrated the importance of the active transport of recycling endosomes containing AMPAR by molecular motor myosin Vb [2], and Wu et al. observed the exocytosis of the recycling endosomes containing AMPAR during the induction of LTP [3]. These studies embodied the elemental processes of AMPAR trafficking via the recycling endosome pathway. Cur- rently, it is still unknown which pathway for AMPAR trafficking is the main one, but since all of these studies basically focus on the induction of LTP, there remains a need for an explanation of the pathway including the induction of LTD without inconsistency.
Assistant Professor Harada and Associated Professor Sumi modeled the following 4 processes of “active” transport of recycling endosomes containing AMPAR by molecular motor myosin Vb as a pathway for AMPAR trafficking to the postsyn- aptic membrane in order to comprehensively explain the LTP/
LTD (Fig.1).
• AKAP150 signaling complex controlling the phosphorylation/
dephosphorylation of subunits, GluA1 and GluA2, that consti- tute AMPAR (Upper left of Fig.1)
• Endocytosis of AMPAR to the cytoplasm by a calcium-binding protein, PICK1 (Upper right of Fig.1)
• Stationary active transport of recycling endosomes contain- ing AMPAR toward postsynaptic membranes by myosin Vb
(Lower right of Fig.1)
• AMPAR uptake at around postsynaptic membranes by Syt1/7- dependent exocytosis (Lower left of Fig.1)
A simulation using a postsynaptic model based on these pro- cesses successfully reproduced the time course of the number of AMPAR corresponding to the induction of LTD and LTD observed in the experiment (Lower right of Fig. 2). In addition, the qualitative reproducibility of certain results demonstrated the validity of the model. These results include impaired LTP induc- tion due to interference of Myosin Vb transport, impaired LTD induction due to decreased rate of reaction of PP2B-dependent dephosphorylation of AMPAR, impaired LTP and LTD inductions due to PICK1 expression level, and impaired LTP induction in Syt1 calcium-binding domain mutant.
The conclusions drawn from this simulation are as follows.
1. The LTP (or LTD) expression is caused by a phenomenon whereby the exocytosis triggered by the activation of Syt1/7 becomes more predominant (or inferior) than the endocytosis triggered by PICK1 activation, resulting in an increase (or decrease) in the number of AMPAR at the postsynaptic membrane.
2. The difference in calcium-dependent activation between the calcium sensors, PICK1 and Syt1, results in a difference in these calcium-binding constants.
3. Myosin Vb carries the recycling endosomes containing AMPAR toward around the postsynaptic membrane by stationary ATP driven transport not dependent on calcium concentration.
4. As a result, the recycling endosomes are waiting on cell membranes so that they can immediately address the next Syt1-dependent exocytosis, enabling the rapid LTP induction.
5. AMPARs taken up to around the postsynaptic membrane
due to exocytosis are immediately reallocated to the synapse membrane by the lateral diffusion.
The neural network model mimicking the higher brain function can learn changes of synapse coupling coefficient, and Heb- bian rule is known as a most basic learning rule. The Hebbian rule and its extended/modified versions are currently used as learning rules, which are known to be closely related to NMDAR- dependent LTP. The achievement of this study provides a molecular basis for the Hebbian rule or changes of synapse binding, which is expected to be a hint to understand the high brain function from the molecular level.
This study was supported by the Grants-in-Aid for Scientific Research of Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) (JP16K05657, JP18KK0151, JP16K00389).
References
[1]Penn AC, Zhang CL, Georges F, Royer L, Breillat C, Hosy E, et al.
Hippocampal LTP and contextual learning require surface diffusion of AMPA receptors. Nature. Nature Publishing Group; 2017;549: 384–388.
doi:10.1038/nature23658.
[2]Wang Z, Edwards JG, Riley N, Provance DW, Karcher R, Li X-D, et al.
Myosin Vb Mobilizes Recycling Endosomes and AMPA Receptors for Postsynaptic Plasticity. Cell. 2008;135: 535–548.
doi:10.1016/j.cell.2008.09.057
[3]Wu D, Bacaj T, Morishita W, Goswami D, Arendt KL, Xu W, et al.
Postsynaptic synaptotagmins mediate AMPA receptor exocytosis during LTP. Nature. Nature Publishing Group; 2017;544: 316–321.
doi:10.1038/nature21720.
Tomonari Sumi, Kouji Harada (2020). Mechanism underlying hippocampal long-term potentiation and depression based on competition between endocytosis and exocytosis of AMPA receptors. Scientific Reports, 10:14711, DOI: 10.1038/s41598-020-71528-3 The long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) of the strength
of hippocampal excitatory synapse involved in learning and memory formation in the brain have been separately explained, but the molecular mechanism that comprehensively explains them has not been elucidated. Assistant Professor Dr. Kouji Harada, from the Department of Computer Science and Engineering at Toyohashi University of Technology and Associate Professor Dr. Tomonari Sumi, from the Research Institute for Interdisciplinary Science at Okayama University fo- cused on the competition of exocytosis and endocytosis of AMPA-type glutamate receptors dependent on the number of calcium ions that flow in the postsynapse of hippocampal excitatory neurons, and demonstrated a comprehensive under- standing of the LTP and LTD by a large-scale mathematical model simulation.
Fig.2 (Left) Schematic diagram of synapse in the ground state.
(Lower right) Time course of the number of AMPAR at the post- synaptic membrane according to LTP and LTD stimulation.
Fig.1 AMPAR transport system in postsynapse repro- ducing LPT/LTD of hippocampal excitatory neurons.
R esearch Highlights
Typical electric go-karts have a drawback specific to the electric type: namely, the battery problem. Currently, the heavy bat- teries are removed from the go-kart by an attendant and carried to an electrical facility for charging. This led the research team to consider the challenge, “When the go-kart returns to the boarding area after traveling on the track, might it be possible to charge the batteries quickly before the next departure without removing them?” One early thought was to attach and remove a charging cable to and from the go-kart. However, the cables for quick charging are thick and heavy, mak- ing them too cumbersome for easy regular use. Therefore, we came up with the idea of wireless charging. If we could lay electrode plates on the road surface of the go-kart stopping area and wirelessly transmit power to the go-kart from there, there would be no need to handle heavy cables.
The laboratory has since commenced this research on wirelessly charging the go-karts in Nonhoi Park. The key to successful quick charging is the efficient transfer of large amounts of power. Focusing on hyperbolic geometry, a special kind of plane geometry born in Europe in the 19th century, as the key to high efficiency, the design and prototyp- ing of a wireless quick charging system that
make full use of hyperbolic geometry is al- ready underway. Such hi-tech go-karts could become a social implementation model for future electric vehicles. The future go-karts will make children’s dreams come true with them as they take flight.
“We faced a major hurdle when thinking about how to efficiently deliver energy from the power source to the go-kart batteries wirelessly. We found that the wireless elec- trodes and batteries which we were trying to mount on the go-kart had a completely different high-frequency impedance (ratio of voltage to current). We fumbled our way through various different methods at first, thinking that there had to be some way for us to overcome this barrier. Finally, we real- ized that this problem came down to planar geometry, which deals with how to bring two points that are far apart from each other on the plane closer together. At the same time, our laboratory proposed an attempt to utilize hyperbolic geometry, a 19th century European discovery, to solve contemporary problems. (References [1] to [9]).
We call this attempt the ‘analog renaissance’.
In hyperbolic geometry, if we try to connect two points on a plane by the shortest dis- tance, the path is not always a straight line.
The key to solving the problem was the hy- perbolic distance metric concept, advocated by French mathematician Henri Poincaré.
New solutions are created by incorporating counter-intuitive geometric ideas into system design. We will showcase this new solution at Toyohashi Nonhoi Park.” said Research Team Leader, Project Research Associate Minoru Mizutani, the research team leader.
We are grateful that he could share such fascinating insights about this research.
The goal of the research team members is to implement the world’s first future-vehicle technology in Toyohashi at Nonhoi Park.
Their hope is that many people will be thrilled by the experience of this new go-kart, and that it will spread to amusement and theme parks not only in Japan but all around the world.
References
[1]T. Ohira, "A radio engineer’s voyage to double-century-old plane geometry," IEEE Microwave Magazine, .vol21, no.11, pp.60-67, Nov. 2020.
[2]M. Mizutani and T. Ohira, "Design theory of a standing wave mitigator for a moving load along a transmission line," IEEE International Conference Radio Frequency Integration Technology, pp.214-216, Hiroshima, Sept.
2020.
[3]A. Suzuki, S. Tsukamoto, and T. Ohira, "Diskwide spiral trajectory impedance matching network for frequency- diversity power transfer," IEEE International Conference Radio Frequency Integration Technology, pp.217-219, Hiroshima, Sept. 2020.
[4] T. Ohira, "Poincaré length," IEEE Microwave Magazine, vol.21, no.3, pp.120-121, March 2020.
[5] K. Yamada and T. Ohira, "Graphical representation of the power transfer efficiency of lumped-element circuits based on hyperbolic geometry," IEEE Transactions Circuits Systems II, vol. 64, no. 5, pp. 485 - 489, May 2017.
[6] 大平 孝, "スミスチャートの歩き方," 電子情報通信学会誌, vol.103, no.7, pp.709-712, July 2020.
[7] 大平 孝, "ポアンカレ視点で見るコイルとコンデンサ, " CQ出版 RFワールド, no.50, pp.113-115, April 2020.
[8] 大平 孝, "電界結合ワイヤレス電力伝送," CQ出版 MOTORエレ クトロニクス, no.10, pp.93-102, April 2019.
[9] 山田恭平, 非ユークリッド幾何学を用いたリアクタンス回路の特 性の表現, 豊橋技術科学大学博士 学位論文 13904甲第783 号, March 2018.
Starting development of a wireless charging system for amusement park Go-karts
A future vehicle that will make children’s dreams come true
By Takashi Ohira
In response to a request from the city of Toyohashi, the Future Vehicle City Research Center at Toyohashi University of Technology has started to develop a wireless re- charging system for the go-karts at Nonhoi Park , Toyohashi’s Zoo & Botanical Park.
Nonhoi Park operates a go-kart track for children. Just as for cars on public roads, converting the go-karts on the premises from conventional gasoline-powered vehicles to electric ones would help reduce their impact on the environment. In addition, elec- tric go-karts are also more child-friendly as they emit no exhaust gas or engine noise.
Furthermore, the electric go-karts are motor-driven, meaning that they also have high- er starting acceleration performance. This makes them the perfect machine for a go- kart track with many curves. Not only children, but adults too will be fascinated by the experience of exciting, real-life go-karting that cannot be found in any digital game.
A mechanism for transferring energy from the road surface to a go-kart battery
The 19th century math- ematician : Henri Poin- caré (Drawing by Marimo Matsumoto, TUT 1st year graduate student from the Electrical and Electronic Information Engineering department)
Research Highlights
社会のグローバル化に伴い、英語能力の向上は様々な分 野において注目されています。しかしながら私たち日本 人は、”Glass”と”Grass”のように日本語にもともと存在 しない音であるLとRの発音や聞き分けが非常に苦手と 言われています。聞き分けることができない単語は発音 できないように、個人の英語聞き分け能力は効率的な英 語学習において非常に重要な指標であるとされていま す。
「眼は口ほどに物を言う」ということわざのように、私た ちの瞳孔は様々な認知の状態を反映することが知られて います。そこで、研究チームは、音の違いに対して瞳孔が散 大する瞳孔散大反応に着目して、LとRの聞き分け能力の 推定を試みました。具体的には、連続して再生されるLを 含む英単語(例えば”Light”)にときどきRを含む英単語 (例えば”Right”)を混ぜ、その音に実験参加者の瞳孔がど のように反応するか調べました。
事前に行った英語聞き分け課題の点数に応じて実験参 加者を二つの群に分け、瞳孔反応を比較したところ、LとR の聞き分け能力が高い群は低い群と比較して大きな瞳孔 反応を示していることがわかりました。また、この瞳孔反 応のみから事前に行った実験参加者の英語聞き分け能 力を非常に高い精度で推定できることもわかりました。
実験参加者は聞いている英単語に注意を向ける必要は なく、単に聞き流せば良いのですが、そのときの瞳孔反応 のみから聞き取り能力を推定できるわけです。この発見 は、将来的にヒトの英語聞き分け能力を簡易的に推定す る新たな指標になりうると研究者らは考えています。
「これまで個人の英語リスニング能力を評価するには実 際に英単語を聞かせるテストを行い、それが正解か不正 解か採点することによって行っていましたが、参加者の応 答によらない客観的な能力を抽出することを目標に、生 体信号の一つである瞳孔に着目しました。聞き流してい るLとRを含む英単語は全ての参加者にとって容易に聞 き分け可能であるにもかかわらず、能力に応じて瞳孔反 応が異なったことから、私たちの瞳孔反応には無意識な 言語処理の違いも反映されている可能性を示していると 考えています。」と筆頭著者である博士後期課程1年の金 塚裕也は説明します。
研究チームのリーダーである中内茂樹教授は「リスニン グ能力は本人でさえ自覚することが難しく、それがトレー ニングのモティベーション低下につながることさえあり ましたが、この研究によって本人はもちろん、第三者も学 習者のリスニング能力を外から客観的に可視化すること ができるようになりました。今後は、語学や音楽などのさ
まざまな分野で聞き分け能力の客観計測が進むものと期 待しています。」と述べました。また、研究メンバーである 南哲人教授は「今回の発見は、瞳孔反応に純音のような 単純な音だけでなく、発話音声の違いといった高次な要 因が反映されることを示しています。瞳孔散大を外部か らコントロールすることによって、聞き分け能力の向上に つながるのであれば、英語学習手法としても有用である のではないかと期待しています。」と説明します。
研究チームは、今回明らかにした研究成果から瞳孔反応 から英語聞き分け能力を推定する新たな手法は、日本人 が苦手とするLとRの聞き分けを効率よく学習できるシス テムの構築につながる可能性を示しています。また、母国 語に存在しない音の聞き分けによって生じる学習の障害 は、英語話者が中国語を学習する際などにも起こること が知られており、最終的には日本語に限定しない言語能 力を推定する新たな指標になればと考えています。加え て、本研究成果は英単語に注意を向けたり、参加者が応答 したりする必要がないため、運動障害や発話障害を持つ 患者の言語学習に役立っていくことが期待されます。
本研究は文部科学省・日本学術振興会科学研究費基盤 A(26240043)及び基盤研究B(17H01807)の助成を 受けて実施されました。
“眼”は口ほどに物を言い、英語を聞き分ける
豊橋技術科学大学情報・知能工学系とエレクトロニクス先端融合研究所の研究チームは、日本人にとって難しいとされているLとRを含む英単語の聞 き分け能力の違いが瞳孔(いわゆる黒目と呼ばれる部分)の反応に現れることを発見しました。瞳孔は眼に入る光の量を調整する役割を持っている 一方で、ヒトの認知状態を反映して大きさが変化することが知られています。本研究は、”Light”と”Right”のような組み合わせの英単語を再生しなが ら、同時に瞳孔の大きさを計測する実験を実施し、眼からヒトの英語聞き分け能力を客観的に推定できることを明らかにしました。
ヒトの瞳孔反応から英語の“L”と“R”の聞き分け能力を推定する新たな手法
金塚 裕也
豊橋技術科学大学 機械工学系 柴田隆行教授らの研究グループは、マイクロ流体チップテクノロジーを応用し、農作物の病害の早期発見・予防を 目的としたマルチプレックス遺伝子診断デバイスの開発を行いました。手のひらサイズの診断デバイス上で、キュウリの病害ウイルス4種類の遺 伝子増幅実験を行い、検査時間1時間以内での多項目同時迅速診断が可能であることを実証しました。本診断デバイスは、農作物のウイルス病に 限らず、ヒト感染症などを含む様々な分野（農業・畜産・水産業、食品産業、健康・医療など）での遺伝子診断に活用できる汎用性の高い技術です。
世界の人口増加による食料需要の増大や異常気象に よる生産減少を背景として、「安全・安心・高品質な農林 水産物・食料の安定供給」は、持続可能な世界を実現す るための人類共通の喫緊の課題（SDGs：Sustainable Development Goals（持続可能な開発目標））となって います。本研究では、品質のよい農作物を効率よく安定 して生産するための支援技術として、専門知識やスキル をもたない一般の農業生産者でも、農場にて簡便・迅速 に病害虫の検査を遺伝子レベルで行える診断技術の開 発を目指しています。
遺伝子検出（増幅）技術の一つとして、LAMP（Loop- Mediated Isothermal Amplification）法＊ があります。
本手法は、一定の温度（60〜65℃、30分〜1時間程度）
で遺伝子増幅が行えることから、PCR検査（最も普及し ている遺伝子診断技術）のように高価な精密温度制御 装置などを必要とせずに現場（オンサイト）でも実施が できる簡易な検定法です。しかし、従来のLAMP法では、
複数項目のウイルス診断を行うためには、検査対象の 数だけ検体（標的DNAまたは標的RNA）・試薬の調整と 遺伝子増幅反応を行う煩雑さがあり、その作業には専 門的な知識やスキルが必要となります。
今回、研究チームでは、マイクロ流体チップテクノロジ ーを応用し、この問題を解決しました。開発したマルチ プレックス遺伝子診断デバイス（反応容器3µL×5個）
は、半導体製造技術を応用し、シリコーン樹脂（PDMS）
によって作製したサイズ45mm×25mm（名刺サイズの 1/3以下）のマイクロ流体デバイス（流路幅200µm、流 路高さ80µm）です。サンプルには、農場で採集したキュ ウリ罹病葉から抽出した検体（標的RNAを含む抽出液）
を使用しました。検査手順は、診断デバイスの導入口か ら検体と試薬の混合液をマイクロ流路内に1回の作業 で導入するだけで、複数の反応容器内に検体・試薬が 自律的に均等に分注される仕組みとなっています。そ の後、デバイスを湯中にて加温（63℃、40分〜1時間程 度）することで、標的となるウイルス遺伝子の特異的な 増幅が起こります。図に示す遺伝子診断結果の一例で は、2種類のウイルスを1つの診断デバイス上で同時に 検出することに成功しています。なお、本診断デバイス では、計4種類の植物ウイルス病の同時診断が可能にな っています。
今後は、本診断デバイスの実用化を目指して、キュウリ の病害ウイルス4種類に加えて、害虫4種類の計8項目
の同時診断が行えるデバイスの開発を行います。また、
原理上、本診断デバイスでは、ニーズに応じて検査対象 のウイルスの種類を自由自在にカスタマイズすること が可能です。このため、ウィズコロナ時代を見据えて、新 型コロナウイルスおよびインフルエンザウイルスなど の複数種類のウイルス感染症の多項目同時迅速診断の 実現を目指します。さらに、食物アレルギー物質（特定 原材料7品目：小麦、そば、落花生、卵、牛乳、えび、かに）
の多項目同時迅速診断へと応用展開し、食の安全・安 心に資する技術の提供を目指します。
本研究は，「知の拠点あいち重点研究プロジェクトⅢ期」
（農業ビッグデータ活用によるロボティックグリーン ハウスの実現 / 代表：三浦 純 教授）の一環として行い ました。また、豊橋技術科学大学「イノベーション協働研 究プロジェクト」（マイクロ流体チップテクノロジーで食 の安全を診る・操る／代表：柴田 隆行 教授）の支援を 受けて実施しました。
*LAMP法は、栄研化学株式会社（http://www.loopamp.eiken.
co.jp/lamp/）が開発した等温遺伝子増幅法です。標的となる遺伝 子の6〜8つの領域に対して4〜6種類のプライマーを設定し、鎖置 換反応を利用して一定温度（60〜65℃）で遺伝子を増幅する技術 です。
マイクロ流体チップテクノロジーを応用して植物ウイルス病の多項目同時迅速診断に成功
農作物の病害を遺伝子レベルで早期に発見し、食の安全・安心を守る
柴田 隆行
R esearch Highlights
海馬興奮性ニューロンのシナプスにおけるNMDA型グルタミン 酸受容体(NMDAR)依存長期増強(LTP)および長期抑制(LTD) は、学習や記憶に関わる神経回路形成に不可欠な分子基盤であ ると考えられています。哺乳類においては、LTPおよびLTD誘導 の主要な要因は、カルシウムイオン量に応じたシナプス後膜で のAMPA型グルタミン酸受容体(AMPAR)の増加および減少に 帰着することが確かめられています。しかしながら、その増減の 機序は未だに解明されていません。さらに、シナプス後膜への AMPAR輸送経路に関しても、主要な経路を巡る以下の論争が あります。
Pennらは、シナプス後膜以外の領域(例えば樹状突起シャフト) からシナプス後膜へ向かうAMPARの長距離側方拡散が、LTP における主要なAMPAR供給経路である事を示し[1]、近年では 長距離側方拡散経路が最も有力な候補として考えられる様にな りました。ところが一方、WangらはミオシンVb分子モーターに よるAMPAR含有再循環エンドソームの能動的輸送の重要性を 示し[2]、またWuらは、LTP発現中にAMPAR含有再循環エンド ソームのエキソサイトーシスが起きることを観測しました[3]。
これらの研究により、再循環エンドソーム経路におけるAMPAR 供給素過程がより具体化されました。現在、どちらのAMPAR輸 送経路が主経路であるのかまだ確定していませんが、この主経 路論争は基本的にLTP誘導に関するものであるため、LTD誘導 を含めて矛盾無く説明できることが望ましいと考えられてきま した。
原田助教と墨准教授はLTP/LTDを統一的に説明するため、シナ プス後膜へのAMPAR供給経路として、ミオシンVb分子モーター によるAMPAR含有再循環エンドソームの「能動的」輸送を以下 の4つのプロセスとしてモデル化しました(図1)。
• AMPARを構成するサブユニットGluA1とGkuA2のリン酸化/
脱リン酸化を制御するAKAP150シグナル伝達複合体（図1左 上）
• カルシウム結合タンパク質PICK1によるAMPARの細胞質への エンドサイトーシス（図1右上）
• AMPAR含有再循環エンドソームのミオシンVbによるシナプス 後膜方向への定常的能動輸送（図1右下）
• Syt1/7によるエキソサイトーシスによるAMPARのシナプス後 膜周辺への取り込み（図1左下）
これらに基づく後シナプスモデルを用いたシミュレーションを 実行し、実験で観測されているLTPおよびLTD誘導に対応する AMPAR数の時間変化を再現することに成功しました(図2右下)。
加えて、ミオシンVb輸送の阻害によるLTP誘導の減少、PP2Bに よるAMPARの脱リン酸化反応率の低下によるLTD誘導の減 少、PICK1発現量の減少によるLTPおよびLTD誘導の減少、並び にSyt1カルシウム結合ドメイン変異体におけるLTP誘導の減少 等、報告されている観測結果を定性的に再現できることを示し、
モデルの妥当性を実証しました。本シミュレーションから導かれ た結論は以下の通りです。
1. LTP（LTD）の発現は、Syt1/7活性化によるエキソサイトーシ
スがPICK1活性化によるエンドサイトーシスより優位（劣位）
になり、シナプス後膜上AMPAR数が増加（減少）することに 起因する。
2. カルシウムセンサPICK1およびSyt1のカルシウム依存活性 化の差は、これらのカルシウム結合定数の違いに帰着する。
3. ミオシンVbはカルシウム濃度に依存しない定常的なATP駆 動輸送により、AMPAR含有再循環エンドソームをシナプス後 膜周辺方向へ運搬している。
4. その結果として、次回のSyt1依存エキソサイトーシスに即時 対応できるように、再循環エンドソームは細胞膜上で待機し ており、迅速なLTP誘導を可能にしている。
5. エキソサイトーシスによってシナプス後膜周辺へ取り込まれた AMPARは、側方拡散によりシナプス膜へ即座に再配置する。
脳の高次機能を模倣したニューラルネットワークモデルでは、
シナプス結合係数の変化が学習に対応しており、最も基本的 な学習則としてヘブ則が知られています。ヘブ則あるいはそ の拡張/変形したものが、現在でも学習則として用いられてお り、NMDAR依存LTPと密接に関係することが知られています。
本研究成果はヘブ則あるいはシナプス結合の変化に対する分 子基盤を与えており、分子レベルから脳の高次機能を理解する 手がかりとなることが期待されます。
本研究は、独立行政法人日本学術振興会(JSPS)科学研究費補 助金(JP16K05657、JP18KK0151、 JP16K00389)の助成 を受け実施しました。
一般的な電動ゴーカートは電動式ならではの難点すなわ ちバッテリー問題があります。現状では重いバッテリーを 係の方がゴーカートから取り外して電気設備のある場所 まで運んで充電しています。そこで研究チームは、ゴーカー トがコース走行し乗降場へ戻ってきたときバッテリーを取 り外すことなく次の発車までに急速満充電できないだろう か、と考えました。すぐ思いつく案は充電ケーブルをゴー カートに着脱することです。しかし急速充電用のケーブル は太くて重いため毎回の取り回しが大変です。そこで考え た案がワイヤレス充電です。停車エリアの路面に電極板を 敷設してそこからワイヤレスでゴーカートへ電力を送るこ とができれば重いケーブルの扱いが不要となります。
研究室ではワイヤレスでのんほいパークのゴーカート充 電する研究をスタートしました。急速充電を成功させる 秘訣は大きな電力を効率よく伝えるしくみです。高効率 化の鍵として19世紀にヨーロッパで生まれた双曲幾何 学（特殊な平面幾何学）に着眼しました。双曲幾何学をフ
ル活用してワイヤレス急速充電システムの設計と試作を 進めています。先進技術を搭載したゴーカートは未来の 電気自動車の先行的社会実装モデルとなります。未来の ゴーカートが子供たちの夢を乗せて走り出すことでしょ う。
「電源からワイヤレスでゴーカート搭載バッテリーへ効 率よくエネルギーを届けるしくみを考える中で大きな壁 にぶつかりました。それはゴーカートに搭載しようとして いるワイヤレス電極とバッテリーでは高周波インピーダ ンス（電圧と電流の比）が全く異なるという壁です。この 壁をなんとか克服できないかと最初はいろいろな方法 を手探りしている状態でした。
よく考えているうちに、この問題は平面上で互いに離れ た位置にある２点を如何に近づけるかという平面幾何 学の問題に帰着するのではないかということに気づきま した。折しも研究室では19世紀に欧州で生まれた「双曲
幾何学」を現代の課題解決に活かそうという試みが提案 されていました：文献[1]-[9]
これをアナログルネサンスと呼んでいます。双曲幾何の 世界では、平面上にある２点間を最短で結ぼうとする と、不思議なことにその経路は必ずしも直線になるとは 限りません。フランスの数学者アンリ・ポアンカレが提唱 した双曲的距離計量という概念が問題解決の鍵となり ました。直感と異なる幾何の発想をシステム設計に取り 入れることで新しいソリューションが生まれます。私たち は豊橋のんほいパークでこの新ソリューションを社会実 装してみせます。」と、研究チームリーダーの水谷豊特任 助手は開発秘話を語ります。
この豊橋発世界初の未来ビークル技術をのんほいパー クで社会実装し、研究チームは、このゴーカートをみなさ まにご覧頂いて全国の遊園地そして世界中のテーマパ ークへ展開していきたいと考えています。
なぜ私たちの脳は学習や記憶をすることができるのか
遊園地ゴーカートワイヤレス充電システムの開発をスタート
海馬興奮性シナプスにおける長期増強/長期抑制発現機構の統一的理解
原田 耕治
子供たちの夢を乗せて走る未来ビークル
大平 孝
これまで、脳の学習や記憶の形成に関わる海馬興奮性シナプスの長期増強(LTP)と長期抑制(LTD)はそれぞれ個別に説明が試みられてきましたが、
それらを統一的に説明する分子機構は未解明でした。豊橋技術科学大学情報・知能工学系 原田耕治助教と岡山大学異分野基礎科学研究所 墨智成 准教授は、海馬興奮性ニューロンの後シナプスに流入するカルシウムイオンの多寡に依存したAMPA型グルタミン酸受容体のエキソサイトーシスと エンドサイトーシスの競合に注目することで、LTPおよびLTDを統一的に理解できることを大規模数理モデルシミュレーションにより実証しました。
豊橋技術科学大学未来ビークルシティリサーチセンターは豊橋市からの要望を受け、豊橋総合動植物公園（のんほいパーク）内のゴーカートワイヤレス充電システ ムの開発をスタートしました。豊橋市動植物公園のんほいパークでは子供たちのためのゴーカートコースを運営しています。公道を走るクルマと同様に敷地内ゴー カートも電動化が望まれています。電動ゴーカートは従来のガソリン式ゴーカートに比べて排気ガスやエンジン騒音を出さないという点で子供たちに優しくまた 周囲環境の観点でも優れています。さらに電動ゴーカートはモーター駆動であるためガソリンカートに比べ発進加速性能が優れています。特にカーブが多いゴーカー トコースにはぴったりのマシンです。デジタルゲームでは体験できないリアルでエキサイティングなゴーカート走行に子供のみならず大人も夢中になるでしょう。
